張旭陽(yáng) 胡志遠(yuǎn) 韓維維 康建 湯尚水

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804；2.上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805；3.上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

主題詞：汽車空調(diào) 油耗影響 轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn) 駕駛循環(huán)

1 前言

法規(guī)認(rèn)證的油耗無(wú)法體現(xiàn)車輛的真實(shí)油耗水平一直是汽車行業(yè)的痛點(diǎn)之一。2017 年發(fā)布的《乘用車實(shí)際油耗與工況油耗差異發(fā)展年度報(bào)告》[1]指出，輕型車用戶實(shí)際油耗比公告油耗平均高29%，油耗差距主要來(lái)自循環(huán)工況的差異和空調(diào)的使用，多個(gè)典型城市的車輛夏季油耗最高，比最低月份高15%左右[1]。汽車空調(diào)制冷時(shí)的功率約占發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的10%～15%[2]。作為整車內(nèi)部耗能最多的附件，汽車空調(diào)對(duì)整車油耗的影響尚未得到足夠的重視。同時(shí)，它有著很大的節(jié)能潛力[3]，降低汽車空調(diào)能耗被認(rèn)為是極具性價(jià)比的節(jié)能措施之一[4]。

為了反映空調(diào)對(duì)整車油耗的影響，并鼓勵(lì)空調(diào)節(jié)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，美國(guó)和歐洲都實(shí)施了有針對(duì)性的油耗法規(guī)。美國(guó)從2008年起就在油耗測(cè)試五工況法中引入SC03 空調(diào)循環(huán)，從2013 年起進(jìn)一步引入AC17 循環(huán)測(cè)試并實(shí)施節(jié)能空調(diào)獎(jiǎng)勵(lì)法規(guī)[5]。歐洲同樣提出了類似的MACTP（Mobile Air Conditioning Test Procedure）循環(huán)對(duì)空調(diào)的使用進(jìn)行油耗測(cè)試[6]。

中國(guó)于2017 年1 月起草了《乘用車循環(huán)外技術(shù)/裝置節(jié)能效果評(píng)價(jià)方法第3 部分汽車空調(diào)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)征求意見(jiàn)稿[7]（簡(jiǎn)稱“征求意見(jiàn)稿”），規(guī)定使用NEDC循環(huán)，首次提出了開(kāi)啟空調(diào)制冷狀態(tài)下汽車燃料消耗量的試驗(yàn)方法，相較于常規(guī)的整車油耗測(cè)試，該方法提高了試驗(yàn)的環(huán)境溫度，并引入了陽(yáng)光模擬系統(tǒng)，該試驗(yàn)方法在《輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)征求意見(jiàn)稿[8]中繼續(xù)保留，但將試驗(yàn)循環(huán)從NEDC替換為全球統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試循環(huán)（Worldwide Light-duty Test Cycle，WLTC）或中國(guó)工況測(cè)試循環(huán)（China Light-duty Test Cycle，CLTC）。

循環(huán)工況的差異會(huì)導(dǎo)致整車油耗測(cè)試結(jié)果不同，同樣也會(huì)影響空調(diào)油耗的測(cè)試結(jié)果，因此選擇合適的循環(huán)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗進(jìn)行評(píng)價(jià)至關(guān)重要。研究結(jié)果表明[9]，WLTC空調(diào)油耗增幅小于歐洲實(shí)際道路情況，其準(zhǔn)確性仍有提高的空間。CLTC 工況下測(cè)得的油耗比NEDC 工況下測(cè)得的油耗平均高14%，更接近用戶實(shí)際油耗。CLTC 油耗與用戶實(shí)際油耗的差別主要來(lái)自空調(diào)耗能[10]，而目前CLTC 工況下空調(diào)對(duì)整車油耗影響的研究還未見(jiàn)報(bào)道。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文以6 輛搭載變排量空調(diào)的汽車為試驗(yàn)對(duì)象，研究汽車空調(diào)對(duì)整車油耗特性的影響，并考察WLTC 和CLTC 是否適合空調(diào)系統(tǒng)的能耗評(píng)價(jià)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 樣車參數(shù)及試驗(yàn)設(shè)備

考慮到車型尺寸、動(dòng)力總成和空調(diào)系統(tǒng)的差異可能影響整車油耗結(jié)果，選擇了滿足國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的6輛汽油車作為試驗(yàn)車輛，主要參數(shù)如表1所示。車廂容積通過(guò)三維建模近似計(jì)算得到，其中車型B+、車型D+分別為車型B和車型D的動(dòng)力總成高配版，車型A、B、D的空調(diào)和動(dòng)力系統(tǒng)零部件均相同，車型B+、D+的空調(diào)和動(dòng)力系統(tǒng)零部件相同。

表1 試驗(yàn)車輛主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備包括4WD VULCAN EMS-CD48L 雙軸四驅(qū)底盤測(cè)功試驗(yàn)系統(tǒng)、SolarConstant 4000 陽(yáng)光模擬系統(tǒng)、MEXA-7400LE尾氣采樣分析系統(tǒng)、CANoe設(shè)備和高靈敏度溫度傳感器，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。車內(nèi)的溫度傳感器按法規(guī)要求布置，以測(cè)量駕駛員及乘員呼吸位置的平均溫度，測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。

2.2 試驗(yàn)方案

油耗測(cè)試根據(jù)征求意見(jiàn)稿進(jìn)行。試驗(yàn)流程如圖3所示，每組試驗(yàn)進(jìn)行3 次，滿足重復(fù)性要求后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取平均值作為最終結(jié)果。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖2 車內(nèi)溫度傳感器實(shí)物及測(cè)點(diǎn)位置示意

圖3 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)可分為預(yù)處理、浸車、開(kāi)啟空調(diào)條件下車輛油耗試驗(yàn)和關(guān)閉空調(diào)條件下車輛油耗試驗(yàn)4 個(gè)部分。預(yù)處理階段的目標(biāo)是對(duì)試驗(yàn)車輛和底盤測(cè)功機(jī)進(jìn)行充分預(yù)熱，同時(shí)保證車內(nèi)溫度、空調(diào)管路溫度與環(huán)境溫度一致；浸車階段的目的是模擬夏季車輛停放在室外的狀態(tài)，從而更真實(shí)地反映汽車空調(diào)工作狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、空調(diào)設(shè)定等試驗(yàn)條件是根據(jù)征求意見(jiàn)稿設(shè)定的，征求意見(jiàn)稿在借鑒國(guó)外法規(guī)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上充分考慮了我國(guó)實(shí)際氣候、車輛情況和駕駛員駕駛習(xí)慣。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 NEDC工況下空調(diào)對(duì)整車油耗的影響

圖4所示為NEDC工況下6輛車的整車平均油耗試驗(yàn)結(jié)果，開(kāi)啟空調(diào)后整車油耗的增幅φ為：

式中，F(xiàn)ACon為開(kāi)啟空調(diào)時(shí)的整車油耗；FACoff為關(guān)閉空調(diào)時(shí)的整車油耗。

圖4 NEDC工況下各車輛油耗結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析后得到開(kāi)啟空調(diào)狀態(tài)下整車油耗增幅在為20%～35%，可見(jiàn)空調(diào)對(duì)油耗的影響十分顯著。以車型A為例，空調(diào)開(kāi)啟后的瞬態(tài)油耗結(jié)果如圖5所示，NEDC工況由4個(gè)相同的城市單元（ECE Ⅰ～ECE Ⅳ）和1個(gè)城郊單元（EUDC）構(gòu)成。從圖5中可定性發(fā)現(xiàn)：城市工況空調(diào)油耗大于市郊工況空調(diào)油耗；怠速工況空調(diào)油耗大于其他行駛工況空調(diào)油耗。

圖5 NEDC工況下車輛A的瞬態(tài)油耗結(jié)果

圖6所示為6輛試驗(yàn)車輛在NEDC不同行駛模式和工況下的平均油耗結(jié)果，定義油耗累計(jì)貢獻(xiàn)率為空調(diào)開(kāi)啟條件下，某一階段油耗占總油耗的比例。結(jié)果顯示，在發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速工況或車輛行駛在市區(qū)低速工況下，空調(diào)對(duì)整車油耗影響較明顯，空調(diào)油耗增幅分別為55%和41%，油耗累計(jì)貢獻(xiàn)率分別為11%和50%，NEDC綜合油耗增幅為28%。

怠速時(shí)空調(diào)油耗發(fā)生顯著提升的主要原因是，開(kāi)啟空調(diào)后，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)怠速穩(wěn)定性，并為起步加速提供一定的功率儲(chǔ)備，需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速。以車型A為例，如圖7所示，空調(diào)開(kāi)啟后，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速需提高200 r/min，輸出功率相應(yīng)增加約2.5 kW，轉(zhuǎn)速的提高和負(fù)載的增大導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速段的油耗明顯上升[11]。從圖6中還可得到，市區(qū)工況下空調(diào)所導(dǎo)致的油耗增幅明顯高于市郊工況，其原因是：

a.市區(qū)工況發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率較低。由于市區(qū)工況下車輛擋位切換頻繁，轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，此時(shí)典型發(fā)動(dòng)機(jī)的平均熱效率（指發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率的熱當(dāng)量與單位時(shí)間所消耗燃料的含熱量的比值）約為15%，而市郊工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的平均熱效率約為30%[12]。因此，在市區(qū)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空調(diào)所需的額外功率的燃料消耗量更高。

b.冷凝器的換熱量與車速間近似呈正比關(guān)系[13]，高車速有利于改善空調(diào)冷凝器空氣側(cè)的換熱效率[14]，從而降低了空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

c.市郊工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率高，空調(diào)負(fù)荷占發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率比例下降。

圖6 NEDC循環(huán)6輛車在不同行駛模式和工況下的平均油耗增幅和累計(jì)貢獻(xiàn)率

圖7 NEDC循環(huán)ECE Ⅰ階段車型A的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)速

空調(diào)能耗除了與行駛模式和工況有關(guān)，也與車內(nèi)溫度下降過(guò)程有緊密聯(lián)系。以車型A為例，車內(nèi)溫度下降過(guò)程對(duì)整車油耗影響的具體過(guò)程如圖8所示，其中空調(diào)功率由空調(diào)開(kāi)啟狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與空調(diào)關(guān)閉狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率作差間接計(jì)算得到。NEDC 工況下車型A 的車內(nèi)溫度在ECE Ⅰ階段就已達(dá)到設(shè)定值23 ℃，此時(shí)壓縮機(jī)處于低排量模式，空調(diào)負(fù)載也隨之下降。ECE Ⅰ到ECE Ⅱ階段，空調(diào)油耗增幅從43%降至34%，顯著下降。文獻(xiàn)[15]使用扭矩計(jì)直接測(cè)量基于整車試驗(yàn)的汽車壓縮機(jī)功率，結(jié)果顯示，在試驗(yàn)循環(huán)下空調(diào)高負(fù)荷工作時(shí)壓縮機(jī)平均功率為3.4 kW 左右，當(dāng)車內(nèi)溫度降至設(shè)定溫度后，壓縮機(jī)平均功率約下降30%。

圖8 NEDC工況下車型A車內(nèi)溫度及壓縮機(jī)排量控制電流

3.2 駕駛循環(huán)對(duì)空調(diào)能耗的影響

由3.1節(jié)研究結(jié)論可得，不同行駛工況下，空調(diào)對(duì)整車油耗影響差異較大，因此本文進(jìn)一步研究不同循環(huán)下空調(diào)對(duì)整車油耗的影響，以得到最適合評(píng)價(jià)汽車空調(diào)能耗的試驗(yàn)循環(huán)。

各循環(huán)的主要特性如表2所示。圖9所示為不同循環(huán)下空調(diào)對(duì)車型A油耗的影響。在平均車速高、怠速比例低的WLTC 工況下，空調(diào)對(duì)整車油耗影響為15%；但在平均車速低、怠速比例高的CLTC 工況下，空調(diào)對(duì)整車油耗的影響為26%，明顯高于WLTC工況。

表2 NEDC、WLTC、CLTC工況主要特性

圖9 不同循環(huán)下空調(diào)對(duì)整車油耗的影響

將各循環(huán)按車速分類為怠速段、低速段（＞0～40 km/h）、中低速段（＞40～80 km/h）和中高速段（＞80 km/h），不同循環(huán)下各車速段空調(diào)對(duì)整車油耗影響結(jié)果如圖10所示。由圖10可知：與NEDC工況類似，各循環(huán)下空調(diào)對(duì)整車油耗影響主要在怠速和低速段，由于CLTC 工況低速和怠速占比大，累計(jì)油耗貢獻(xiàn)率為51%，因此CLTC 工況下，空調(diào)對(duì)整車油耗影響也最大；WLTC工況中低速和中高速占比大，累計(jì)油耗貢獻(xiàn)率達(dá)到了74%，因此該工況下空調(diào)對(duì)整車油耗影響最小。

各循環(huán)下車內(nèi)降溫曲線如圖11所示：NEDC工況車內(nèi)溫度下降最快，約180 s后空調(diào)降至低負(fù)荷狀態(tài)；其次為WLTC 工況，用時(shí)約為240 s；CLTC 工況下車內(nèi)降溫過(guò)程最慢，約450 s空調(diào)降至低負(fù)荷狀態(tài)。

除了平均車速低和怠速比例高的影響，車內(nèi)降溫過(guò)程慢也是造成CLTC 工況下空調(diào)對(duì)整車油耗影響較顯著的原因之一。在環(huán)境條件和空調(diào)設(shè)置相同的情況下，空調(diào)制冷量只受壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和車速影響，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和車速越高，空調(diào)制冷量越大。其中，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)制冷量的影響超過(guò)50%，冷凝器風(fēng)速對(duì)制冷量的影響小于15%[16]。表3所示為不同循環(huán)下試驗(yàn)車輛的空調(diào)壓縮機(jī)平均轉(zhuǎn)速和平均車速。CLTC工況下壓縮機(jī)平均轉(zhuǎn)速和平均車速較NEDC 和WLTC 工況低，造成CLTC 工況下空調(diào)制冷量較小，車內(nèi)降溫過(guò)程較慢。

圖10 不同循環(huán)下各車速段空調(diào)對(duì)整車油耗的影響

圖11 各循環(huán)下車內(nèi)降溫曲線

表3 不同循環(huán)下車型A的壓縮機(jī)平均轉(zhuǎn)速和平均車速

CLTC 工況更接近中國(guó)用戶真實(shí)的行駛工況，且在該工況下車內(nèi)降溫較慢，空調(diào)高負(fù)荷工作時(shí)間長(zhǎng)，空調(diào)油耗增幅最大，更有利于反映不同空調(diào)節(jié)能技術(shù)對(duì)整車油耗帶來(lái)的影響。基于以上兩點(diǎn)，CLTC 工況更適合評(píng)價(jià)空調(diào)系統(tǒng)及其節(jié)能技術(shù)的效果。

3.3 車廂容積對(duì)空調(diào)能耗的影響

征求意見(jiàn)稿中規(guī)定了空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果評(píng)價(jià)方法：

式中，F(xiàn)J為汽車空調(diào)的節(jié)能效果，F(xiàn)J＞0 表明該空調(diào)系統(tǒng)具有節(jié)能效果；TAC為汽車空調(diào)燃料消耗量目標(biāo)值，為按試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)得到的某一整車質(zhì)量下典型車輛的空調(diào)油耗基準(zhǔn)值；FAC為汽車空調(diào)燃料消耗量；K=0.25為空調(diào)使用比例系數(shù)；FACon、FACoff分別為空調(diào)開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)下的整車燃料消耗量；VM為整車整備質(zhì)量。

試驗(yàn)車輛的空調(diào)油耗與整車整備質(zhì)量的關(guān)系如圖12 所示。同一空調(diào)系統(tǒng)的能耗與整車整備質(zhì)量并未呈現(xiàn)出與式（4）相似的趨勢(shì)，即同一空調(diào)系統(tǒng)，按法規(guī)方法并不能評(píng)價(jià)出相同的節(jié)能效果，因此法規(guī)依據(jù)整車質(zhì)量計(jì)算空調(diào)油耗目標(biāo)值缺少一定的科學(xué)合理性。

圖12 空調(diào)油耗與整車整備質(zhì)量關(guān)系

圖13所示為試驗(yàn)得到的車輛A、B、D的車內(nèi)溫度曲線，試驗(yàn)結(jié)果表明，車廂容積越大，車內(nèi)降溫過(guò)程越慢。車廂內(nèi)空氣吸收熱量的計(jì)算公式為[17]：

式中，QT為車廂內(nèi)空氣獲得的總熱量；ρ為空氣密度；VV為車廂容積；Cp為空氣的比熱容；ΔT′為車內(nèi)氣體溫度變化值；QB為車體外圍結(jié)構(gòu)熱傳遞傳入的熱量；Qf為空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)熱交換裝置帶入車廂內(nèi)的制冷量；QI為陽(yáng)光照射到車室內(nèi)的輻射熱量；QP為車廂內(nèi)乘員散發(fā)的熱量；QE為發(fā)動(dòng)機(jī)艙傳入車廂內(nèi)的熱量；QA為室外新風(fēng)傳入的熱量。

由式（5）可知，在QT相近的情況下，車內(nèi)溫度變化ΔT′與車廂容積VV成反比。

車內(nèi)降溫過(guò)程慢，意味著空調(diào)高負(fù)荷工作時(shí)間長(zhǎng)，也導(dǎo)致車型B 的空調(diào)油耗增幅大于車型D 和車型A?；谲囆虯、B、D 的試驗(yàn)結(jié)果分析可得，空調(diào)型號(hào)和動(dòng)力系統(tǒng)一致的輕型乘用車，空調(diào)油耗增幅與車廂容積存在相關(guān)性，為了便于空調(diào)油耗目標(biāo)值的計(jì)算，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)按一次函數(shù)擬合，如圖14所示，關(guān)系式為：

式中，k為漏風(fēng)量修正系數(shù)，與整車氣密性有關(guān)，不同車輛的差異較大[18]，但同一平臺(tái)車輛相同。

圖13 NEDC循環(huán)下車型A、B、D車內(nèi)降溫曲線

圖14 空調(diào)油耗增幅與車廂容積間的關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用環(huán)境艙開(kāi)展整車油耗試驗(yàn)，研究了空調(diào)對(duì)整車油耗的影響，得到以下結(jié)論：

a.空調(diào)對(duì)整車油耗影響顯著，在各循環(huán)下空調(diào)油耗增幅約為15%～26%，空調(diào)對(duì)整車油耗的影響主要集中在怠速段和低速段，在各循環(huán)下油耗增幅分別可達(dá)50%以上和30%以上，在高速段增幅只有5%左右。

b.CLTC 工況下空調(diào)對(duì)整車油耗的影響大于NEDC 和WLTC 工況，車內(nèi)降溫過(guò)程最慢，且最接近中國(guó)實(shí)際道路工況。因此，CLTC 工況更適合用于評(píng)價(jià)空調(diào)系統(tǒng)能耗及其節(jié)能技術(shù)效果。

c.在空調(diào)和動(dòng)力系統(tǒng)一致的情況下，空調(diào)油耗增幅與車廂容積可按線性關(guān)系表示，車廂容積越大，空調(diào)油耗增幅也越大。本文建議法規(guī)在計(jì)算空調(diào)油耗目標(biāo)值時(shí)使用車廂容積代替整車整備質(zhì)量。